We study the problem of robot navigation in dense and interactive crowds with static constraints such as corridors and furniture. Previous methods fail to consider all types of spatial and temporal interactions among agents and obstacles, leading to unsafe and inefficient robot paths. In this article, we leverage a graph-based representation of crowded and constrained scenarios and propose a structured framework to learn robot navigation policies with deep reinforcement learning. We first split the representations of different inputs and propose a heterogeneous spatio-temporal graph to model distinct interactions among humans, robots, and obstacles. Based on the heterogeneous spatio-temporal graph, we propose HEIGHT, a novel navigation policy network architecture with different components to capture heterogeneous interactions through space and time. HEIGHT utilizes attention mechanisms to prioritize important interactions and a recurrent network to track changes in the dynamic scene over time, encouraging the robot to avoid collisions adaptively. Through extensive simulation and real-world experiments, we demonstrate that HEIGHT outperforms state-of-the-art baselines in terms of success, navigation time, and generalization to domain shifts in challenging navigation scenarios. More information is available at https://sites.google.com/view/crowdnav-height/home.


翻译:本研究探讨机器人在具有静态约束(如走廊和家具)的密集交互人群中的导航问题。现有方法未能充分考虑智能体与障碍物之间各类时空交互,导致机器人路径存在安全隐患且效率低下。本文通过基于图的拥挤受限场景表示,提出一种结构化框架以深度强化学习方式习得机器人导航策略。我们首先分离不同输入的表示,并提出异构时空图以建模人、机器人与障碍物间的差异化交互。基于该异构时空图,我们提出HEIGHT——一种新型导航策略网络架构,其通过不同组件捕捉时空维度上的异构交互。HEIGHT利用注意力机制对重要交互进行优先级排序,并采用循环网络跟踪动态场景随时间的变化,促使机器人自适应规避碰撞。通过大量仿真与真实世界实验,我们证明HEIGHT在挑战性导航场景中,于成功率、导航时间及领域偏移泛化能力方面均优于当前最先进的基线方法。更多信息请访问https://sites.google.com/view/crowdnav-height/home。

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